微小空間內溫度精確測量裝置及探頭和測溫方法
2023-05-29 19:30:06
專利名稱：微小空間內溫度精確測量裝置及探頭和測溫方法
技術領域：
本發明涉及一種新型溫度測量方法，尤其涉及一種利用溫度變化對阻值的影響進而通過迭代的方式調整電阻絲的溫度逐漸與被測樣品一致。該方法是一種利用迭代電阻的測溫方法。
背景技術：
隨著科技的進步，小型化、微型化正逐漸成為各項領域設備的發展趨勢。然而，設備微型化一方面提高了空間利用率及設備各效率的同時，設備中尺度的減小也大大增加了相關物理量的測量難度。溫度作為國際單位制中七個基本物理量之一，在微流動、微傳熱系統中是至關重要的物性參數，如何對微米級、亞微米級甚至納米級空間中的工質溫度進行準確且有效測量是目前微/納流動及傳熱系統研究中亟待解決的測量難點問題。目前的溫度測量方法主要分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。接觸式測溫法在測量時需要與被測物體或介質充分接觸，一般測量的是被測對象和傳感器的平衡溫度， 如液體膨脹式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計等均屬此類。接觸式測溫簡單、可靠、測量精度高，但由於達到熱平衡需要一定時間，因而會產生測溫的滯後現象；另外感溫元件往往會破壞被測對象的溫度場，並有可能受到被測介質的腐蝕，從而導致明顯的測量誤差。非接觸式測溫方法則不需要與被測對象接觸，因而不會干擾溫度場，但同時也存在著精度不如接觸式測溫儀表、結構複雜且測試成本高等缺點。在微/納系統通道內，尤其通道尺寸降至亞微米甚至納米量級時，常規的接觸式測溫方法不但難以保證與被測表面的良好接觸，而且會嚴重影響破壞被測表面的溫度分布；同時由於此時極微量的工質與測點接觸後，其測點的熱容將改變極微量工質的溫度，因此常規接觸式測溫方法難以對微/納系統內部工質溫度進行有效測量。而非接觸式溫度測量方法則測量精度較差，且對光路布置要求非常高，尤其當尺度降低至微米級以下時，該問題變得更加突出，目前還未有非接觸式溫度測量方法能對微米級以下級空間進行有效測量。因此，必須開發出一種新的溫度測量方法，能夠準確反映微/納米尺度通道內工質溫度值，對於微/納系統的發展具有極為重要的現實意義。
發明內容
本項目正是針對這一需求，提出「迭代電阻測溫法」這一新的溫度測量方法，可較為方便地應用於微納流體機械以及微換熱系統中，實現對微/納米通道內工質溫度的精確且有效測量，解決微/納空間工質溫度精確測量的瓶頸問題，從而推動工業換熱設備的微/ 納型化發展。本發明針對現有技術中的不足提出了一種能夠有效測量微納流體機械以及微換熱系統中工質的溫度測量，解決微/納空間工質溫度精確測量的瓶頸問題。一種新型測溫方法，其特徵是它包括如下步驟
1依據鉬絲電阻阻值與溫度變化的對應關係，按照預測的工質出口溫度設立鉬絲初始溫度；該方法採取調整鉬絲兩端電壓的技術手段精確控制鉬絲的溫度，即先預測工質出口溫度，加載電流使鉬絲溫度與預測值相等。2使用微小空間內溫度精確測量裝置測溫，它包括探頭和與之相連的高精度電阻測量與處理系統和高精度加熱系統。探頭包括中空的套管，套管兩端封閉且設置有金屬電極，還設置有連接兩端金屬電極的細金屬絲，所述套管為內徑0. lmm-5mm ；長度Imm-IOmm的細管；在套管的側壁上開設工質進孔。被測工質通過開在側壁上的工質進孔進入管內直接與鉬絲接觸；
3調整鉬絲端電壓對鉬絲的阻值進行迭代直至鉬絲阻值不再變化，這時鉬絲的溫度即為被測工質的溫度。當被測工質的溫度與鉬絲溫度不一致時，鉬絲的阻值會發生變化，此時根據鉬絲阻值隨溫度的變化關係——鉬絲阻值隨溫度的升高而升高，進一步調整鉬絲兩端電壓，當鉬絲阻值增大時說明工質溫度高於鉬絲溫度，此時加大鉬絲端電壓，提高鉬絲溫度，如果鉬絲阻值減小則相應的減小鉬絲端電壓，降低鉬絲溫度，如此往復循環，直至鉬絲阻值不再發生變化，這一循環過程中鉬絲阻值的調整量是一個逐漸減小和遞進的過程，是對鉬絲阻值的一個迭代過程，通過對鉬絲電阻的判斷以及不斷的迭代實現鉬絲的阻值不再發生變化，而此時鉬絲的溫度就是被測工質的溫度。一種微小空間內液體工質的溫度精確測量探頭，它包括中空的套管，其特徵是在套管兩端封閉且設置有金屬電極，還設置有連接兩端金屬電極的細金屬絲，所述套管為內徑0. lmm-5mm ；長度Imm-IOmm的細管；套管側壁開設通孔。本發明的具體特點還有，所述套管長度為2mm，內徑為0. 5mm。所述套管為石英管、 金屬管或者陶瓷管；所述金屬電極為銀電極，所述細金屬絲為具有良好延展性和電阻溫度效應直徑0. 5微米-100微米的細金屬絲。所述細金屬絲為鉬絲或者金絲，其直徑為1微米。 所述鉬絲通過銀焊與兩端電極相連並置於所述石英管內。所述石英管內置支撐杆以支撐兩個銀電極。本方案中所述探頭中材質及尺寸還可根據實際需要調整。一種微小空間內液體工質的溫度精確測量裝置，它包括探頭和與之相連的高精度電阻測量與處理系統和高精度加熱系統，其特徵是探頭包括中空的套管，其特徵是在套管兩端封閉且設置有金屬電極，還設置有連接兩端金屬電極的細金屬絲，所述套管為內徑 0. lmm-5mm ；長度Imm-IOmm的細管；在套管的側壁上開設通孔作為工質進孔。本方案的具體特點還有，所述高精度電阻測量與處理系統包括上海源佳通直阻儀 ZGY-10A，處理系統採用PID對電阻值運算及迭代並反饋進行控制調節鉬絲兩端端電壓、高精度加熱系統為安捷倫66104A精密直流穩壓電源，其可以實現對鉬絲電阻的高精度監測並對其阻值處理以得到相應的電阻溫度偏移，該值與初始設定溫度值相加即為鉬絲溫度。 所述高精度加熱系統通過調整鉬絲兩端端電壓以實現對鉬絲溫度的控制。本發明的有益效果主要有兩點。首先，本方案中測溫元件為直徑僅為1微米的鉬絲，其熱容遠遠小於傳統的測溫元件探頭的熱容，因此採用本方案能夠有效避傳統測溫元件由於測量端本身與被測工質的直接接觸所帶來的熱容誤差(熱容誤差即金屬測溫探頭本身會吸收所測工質的熱量進而對工質溫度產生影響)對被測工質溫度的影響，這一影響在微納空間內所造成的影響是無法忽略的；其次，本方案是採用不斷調整鉬絲兩端端電壓，對鉬絲進行加熱來逐步逼近所測工質溫度真實值的過程，其整個過程處於加熱狀態且逐漸加熱到與所測工質溫度相一致，因此，鉬絲與所測工質之間的溫差是一個逐漸減小的過程，兩者之間的溫度一致不會進行熱交換，這又更進一步消除了鉬絲對工質溫度的影響。綜上所述，在微納空間內本方法與傳統測溫方法相比更接近被測工質溫度的真實值。
圖1迭代電阻溫度測試探頭原理圖；圖2迭代電阻法溫度測試系統；圖中1-石英管；2-鉬絲；3-通孔；4-銀焊點；5-密封圈；6-銀棒；7-高精度電阻測量儀表及處理系統；8-高精度直流電源；9-溫度測量探頭；10-被測工質管路；11-被測工質；12-被測管路與測量探頭連接管。
具體實施例方式如圖1所示，本方案是通過以下技術原理來實現微納尺度空間工質溫度的精確測量的。在本方案中，被測工質管路與測量探頭緊密連接，管路內的工質通過測量探頭石英管上的小孔進入測量探頭。該方法基於電阻的溫度效應原理，但是又區別於傳統的熱電阻。 具體措施如下，方案實施時大氣溫度Ttl為15. 1 °C，所測管路進口出口溫度已知，進口溫度為 T1為23°C，出口溫度為T2為24. 3°C，採用迭代電阻測溫法測量管路中部溫度，預測工質11 的溫度！；為23°C (此為管路進口溫度)，調整鉬絲兩端端電壓，使鉬絲溫度與預測值相等同為23°C。監測鉬絲瞬間阻值變化，鉬絲阻值變大說明所測工質溫度高於設定值，此時調整預測溫度為24. 3°C (此為工質出口溫度)，同時相應的加大鉬絲端電壓以使鉬絲溫度達到 24. 3°C，此時鉬絲阻值變小說明所測溫度低於設定值，同時也說明該測試方法能夠保證設定值落在有效測試區域，即進口出口即為設定值的上下邊界。第二步，設定溫度調整量」T 重複上述調整過程，但是每次循環後」T減小，依次為0. 5°C、0. 3°C、0. 2°C、0. 1°C、0. 05 °C。 注意，如果所選定^ T無法滿足要求，要重新尋找上下邊界，選定更低的Z T。如此往復循環，採用不斷調整溫度的辦法，實現鉬絲阻值的迭代，最終使測量值的上下邊界落在極小的範圍內。最終阻值不在發生變化(此處可為一個範圍，落在該範圍內即認定為不再發生變化)，此時設定值為23. 8°C。而採用傳統方法，利用PtlOO熱電阻(A級，測量頭直徑0. 3mm) 所測同一位置的溫度為23. 1°C。一種微小空間內溫度精確測量探頭，探頭包括兩端帶有金屬電極且密封的石英管、細金屬絲，其特徵是所述石英管為細石英管，其外形尺寸可根據所測空間尺度的不同而選擇，圖1中石英管長度為2mm，內徑為0. 5mm。圖中所述電極為銀，所述細金屬絲為具有良好延展性和電阻溫度效應的金屬，圖1中為鉬絲，其直徑為1微米。所述鉬絲通過銀焊與兩端電極相連並置於所述石英管內。石英管1 一側開設通孔3作為工質進孔。如圖2所示，它是一種微小空間內液體工質的溫度精確測量裝置，它包括探頭和與之相連的高精度電阻測量與處理系統和高精度加熱系統，所述高精度電阻測量與處理系統包括上海源佳通直阻儀 ZGY-10A，處理系統採用PID對電阻值運算及迭代並反饋進行控制調節鉬絲兩端端電壓、高精度加熱系統為安捷倫66104A精密直流穩壓電源，其可以實現對鉬絲電阻的高精度監測並對其阻值處理以得到相應的電阻溫度偏移，該值與初始設定溫度值相加即為鉬絲溫度。 所述高精度加熱系統通過調整鉬絲兩端端電壓以實現對鉬絲溫度的控制。採用本測試系統和傳統的PtlOO熱電阻(A級，探頭直徑0. 3毫米)對內徑為500 微米，長度為5毫米的管道內的水的溫度進行測量，該管道底部被加熱，所測管道進口溫度為23°C，出口溫度為24. 3°C。採用本測試系統測得管道中部溫度為23. 8°C，採用PtlOO熱
5電阻測得溫度為23. 1°C。採用兩種檢測方式對開放空間中空氣溫度進行檢測，所測值均為 15. 1°C。綜上所述，本方案能夠有效的測量微納空間內的工質溫度，而且該方法可以有效避免傳統測溫探頭由於與所測工質接觸而帶來的熱容誤差。
權利要求
1.一種新型測溫方法，其特徵是它包括如下步驟(1)依據鉬絲電阻阻值與溫度變化的對應關係，按照預測的工質出口溫度設立鉬絲初始溫度；該方法採取調整鉬絲兩端電壓的技術手段精確控制鉬絲的溫度，即先預測工質出口溫度，加載電流使鉬絲溫度與預測值相等；(2)使用微小空間內溫度精確測量裝置測溫，它包括探頭和與之相連的高精度電阻測量與處理系統和高精度加熱系統；探頭包括中空的套管，在套管兩端封閉且設置有金屬電極，還設置有連接兩端金屬電極的細金屬絲，所述套管為內徑0. Imm 5mm ；長度Imm IOmm的細管；在套管的側壁上開設工質進孔，被測工質通過開在側壁上的工質進孔進入管內直接與鉬絲接觸；(3)調整鉬絲端電壓對鉬絲的阻值進行迭代直至鉬絲阻值不再變化， 這時鉬絲的溫度即為被測工質的溫度；當被測工質的溫度與鉬絲溫度不一致時，鉬絲的阻值會發生變化，即鉬絲阻值隨溫度的升高而升高，進一步調整鉬絲兩端電壓，當鉬絲阻值增大時說明工質溫度高於鉬絲溫度，此時加大鉬絲端電壓，提高鉬絲溫度，如果鉬絲阻值減小則相應的減小鉬絲端電壓，降低鉬絲溫度，如此往復循環，直至鉬絲阻值不再發生變化，這一循環過程中鉬絲阻值的調整量是一個逐漸減小和遞進的過程，是對鉬絲阻值的一個迭代過程，通過對鉬絲電阻的判斷以及不斷的迭代實現鉬絲的阻值不再發生變化，而此時鉬絲的溫度就是被測工質的溫度。
2.一種微小空間內流體工質的溫度精確測量探頭，它包括中空的套管，其特徵是在套管兩端封閉且設置有金屬電極，還設置有連接兩端金屬電極的細金屬絲，所述套管為內徑 0. Imm 5mm ；長度Imm IOmm的細管；套管側壁開設通孔。
3.根據權利要求2所述的微小空間內液體工質的溫度精確測量探頭，其特徵是所述套管長度為2mm，內徑為0. 5mm。
4.根據權利要求2所述的微小空間內液體工質的溫度精確測量探頭，其特徵是所述套管為石英管、金屬管或者陶瓷管；所述電極為具有良好導電效果的金屬電極。
5.根據權利要求2所述的微小空間內液體工質的溫度精確測量探頭，其特徵是所述細金屬絲為具有良好延展性和電阻溫度效應直徑0. 5微米-100微米的細金屬絲。
6.根據權利要求5所述的微小空間內液體工質的溫度精確測量探頭，其特徵是所述細金屬絲為鉬絲或者金絲，其直徑為1微米。
7.一種微小空間內液體工質的溫度精確測量裝置，它包括探頭和與之相連的高精度電阻測量與處理系統和高精度加熱系統，其特徵是探頭包括中空的套管，其特徵是在套管兩端封閉且設置有金屬電極，還設置有連接兩端金屬電極的細金屬絲，所述套管為內徑 0. Imm 5mm ；長度Imm IOmm的細管；在套管的側壁上開設通孔作為工質進孔。
8.根據權利要求7所述的微小空間內液體工質的溫度精確測量裝置，其特徵是所述高精度電阻測量與處理系統包括上海源佳通直阻儀ZGY-10A，處理系統採用PID對電阻值運算及迭代並反饋進行控制調節鉬絲兩端端電壓。
9.根據權利要求7所述的微小空間內液體工質的溫度精確測量裝置，其特徵是高精度加熱系統為安捷倫66104A精密直流穩壓電源。
全文摘要
一種微小空間內溫度精確測量裝置及探頭和測溫方法，它包括探頭和與之相連的高精度電阻測量與處理系統和高精度加熱系統，其特徵是探頭包括中空的套管，其特徵是在套管兩端封閉且設置有金屬電極，還設置有連接兩端金屬電極的細金屬絲，所述套管為內徑0.1mm-5mm；長度1mm-10mm的細管；在套管側壁上開設通孔作為工質進孔。本方案通過設置探頭初始溫度，使用迭代電阻測溫法能夠有效測量微納流體機械以及微換熱系統中工質的溫度測量，解決微/納空間工質溫度精確測量的瓶頸問題。
文檔編號G01K7/18GK102507035SQ20111036433
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者劉志剛, 張承武 申請人:山東省科學院能源研究所